Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ANALYSIS OF VARIABILITY OF THE QUALITY COMPOSITION OF THE BIOGAS PRODUCED BY BIOREACTOR AT AN INTENSIFICATION OF ANAEROBIC DECOMPOSITION MUNICIPAL SOLID WASTE

Dzhamalova G.A. 1
1 Kazakh National Technical University after K.I. Satpayev
В статье показаны результаты статистического исследования по анализу изменчивости качественного состава биогаза на основе полученных с 6-го по 120-й день экспериментальных данных при интенсификации процессов анаэробного разложения твердых бытовых отходов в биореакторах. Согласно проведенным исследованиям выявлено, что высокие коммерческие показатели биогаза, такие как общее производство (39,938 л) и высокое содержание СН4 (58,3125 ± 5,91 %), низкое содержание СО2 (13,125 ± 1,62 %) в составе биогаза, были получены из малого биореактора № 1. По сравнению с качеством биогаза, произведенного свалочным телом Карасайского полигона ТБО можно отметить, что в процессе интенсификации анаэробного разложения ТБО в биореакторах, содержание метана в составе биогаза увеличивается примерно на 17 – 20 %. Более рентабельным будет производство биогаза при следующих условиях работы биореактора: содержание компоста не должно быть выше 30%; соблюдение физико-химических показателей работы биореактора (рН – слабощелочная, температура – мезофильный режим) обеспечит за короткий промежуток времени высокое производство биогаза (0,600 м3/ кг ТБО с содержанием метана не менее 67 %).
The article shows the results of a statistical study on the analysis of variability of qualitative composition of biogas based on the experimental data from the 6th to the 12th day obtained during intensification of the processes of anaerobic decomposition of MSW in bioreactors. According to the research found that high commercial of indicators of biogas, such as total production (39.938 L) and a high content of CH4 (58,325 ± 5,91%) while low-CO2 (13,125 ± 1,62%) in the composition of biogas were received from a small number of the bioreactor 1. As compared with the quality of biogas produced by Karasai landfill may be noted that in the process of intensification anaerobic decomposition of MSW in bioreactors, the methane content in biogas composition increases by about 17 - 20%. A more cost-effective production of biogas will be under the following working conditions of the bioreactor: contents of compost must not be higher than 30%, observance of the physic-chemical indicators of the bioreactor (pH is slightly alkaline, the temperature - mesophilic mode) ensures a short time high production of biogas (0,600 m3 / kg of MSW with methane content of at least 67%).
municipal solid waste (MSW)
bioreactor
anaerobic digestion
biogas
methane

Продуктом анаэробного разложения твердых бытовых отходов (ТБО) является частично стабилизированный сброженный биогаз, основными компонентами которого являются метан (до 55 – 70 %), углекислый газ (до 27 – 45 %), азот (до 1%), водород (до 1 %) и сероводород (до 3 %) [7, с.23].

Биогаз, как коммерческий продукт имеет следующие преимущества [7, с.25]: это качественно стабильный продукт, является возобновляемой энергией, представляет собой экологически безвредное среднекалорийное газовое топливо (теплотворная способность 5000-5600 ккал/нм3).

Энергетическая рекуперация биогаза эффективна только при дешевизне производства. Утилизация энергии биогаза сводится к получению тепловой (при сжигании биогаза в котлах) и электрической энергии или преобразованию химической энергии в механическую (топливо для двигателей) [6, с.25]. Например, при полном энергопотреблении станции 15,1 млн. кВт·ч в год за счет работы мотор-генераторов на биогазе производят в год 15,6 млн. кВт· ч энергии [2; 6, с.31].

Цель исследования – изучение изменчивости качественного состава биогаза при интенсификации анаэробного разложения твердых бытовых отходов в биореакторах.

Материал и методы исследования. Материалом исследования послужил биогаз, вырабатываемый в процессе интенсификации анаэробного разложения ТБО в биореакторах (№ 1, 2 и 3) объемом 8,8 л при разных условиях загрузки: 2200 г (70% ТБО и30 % компоста), 2304 г (50 % ТБО/ % компоста) и 3000 г (100 % компоста) [3, 4, 8].

В целях изучения количества и качественного состава биогаза во времени пробы отбирались на 6, 12, 20, 34, 40, 46, 53, 60, 67, 74, 81, 87, 95, 101, 115 и 120-й день эксперимента (таблица 1) [8]. Качество биогаза оценивали по содержанию (%) в его составе СН4 и СО2.

Анализ изменчивости химического состава проб биогаза был проведен с использованием методов математической статистики [7].

Результаты и обсуждение. Анализ изменчивости количества и качественного состава биогаза при интенсификации анаэробного разложения ТБО проводили с помощью вариационно-статистического метода исследования (таблицы 2 и 3, рисунки 1 – 4).

Как видим из таблицы 2 и 3, изучение количества ежедневной и общей эмиссии биогаза в исследуемый период показало, что:

- среднестатистическая суточная эмиссия биогаза была максимальной для малого биореактора № 1 (0,363568 ± 0,13 л), минимальной – для малого биореактора № 3 (0,002 ± 0,002 л), тогда как малый биореактор № 2 занимал по данному исследуемому параметру промежуточное между малыми биореакторами № 1 и № 3 положение (0,2482 ± 0,07 л);

- изменчивость была относительно высока для всех трех биореакторов, при этом была максимальной для малого биореактора № 3 (398 %), средней – для малого биореактора № 1 (135,8 %) и наименьшей – для малого биореактора № 2 (103 %);

Таблица 1

Количество и качественный состав биогаза, производимых малыми биореакторами [8]

День эксперимента

Малый биореактор № 1

Малый биореактор № 2

Малый биореактор № 3

Количество

биогаза, л

Качество биогаза, %

Количество биогаза, л

Качество биогаза, %

Количество

биогаза, л

Качество биогаза, %

Суточная

Общая

СО2

СН4

Суточная

Общая

СО2

СН4

Суточная

Общая

СО2

СН4

6

0

0

0

0

0

0

40

48

0

0

0

0

12

0

0,1275

0

0

0,7325

2,135

23

60

0,0025

0,0825

0

0

20

0

0,1275

15

70

0,8475

7,385

12

60

0

0,1575

8

0

34

1,14

3,1825

20

73

0,37375

17,35375

20

65

0

0,68

8

0,1

40

1,35375

11,41125

20

70

0,500227

20,16864

14

58

0

0,68

7

0,05

46

1,3

19,96

20

68

0,3325

22,46227

14

55

0,03

0,71

5

0

53

0,6775

26,8375

20

70

0,22875

24,22227

14

58

0

0,7425

5

0

60

0,43

31,4025

18

68

0,1525

25,58727

16

58

0

0,7725

5

0

67

0,4775

34,5575

16

68

0,2325

26,87727

16

58

0

0,8025

5

0

74

0,23

36,5925

14

67

0,07

27,97727

16

58

0

0,8325

4

0,1

81

0,1625

37,85

12

66

0,1

28,84727

13

56

0

0,8625

5

0

87

0,0075

38,6575

12

66

0,2525

29,77227

10

52

0

0,8925

5

0,4

95

0

39,3675

9

60

0,065

30,59227

10

58

0

0,9225

5

0,3

101

0,015

39,6225

12

65

0,01

31,03727

11

50

0

0,9525

5

0

115

0,011667

39,87967

11

61

0,036667

32,86144

11

50

0

1,0125

5

0

120

0,011667

39,938

11

61

0,036667

33,04477

11

50

0

1,0125

5

0


Таблица 2

Вариационно-статистический анализ количества и качественного состава биогаза, производимого биореактором при интенсификации процессов биоразложения ТБО

Малый биореактор

Показатель

Суточная эмиссия, л

Качественный состав биогаза, %

СО2

СН4

№ 1

0,363568 ± 0,13

13,125 ± 1,62

58,3125 ± 5,91

Сv, %

135,8

48,2

39,5

№ 2

0,2482 ± 0,07

15,6875 ± 1,90

55,875 ± 1,19

Сv, %

103

47,2

8,3

№ 3

0,002 ± 0,002

4,8 ± 0,56

0,06 ± 0,03

Сv, %

368

46

202

- эмпирический высокий размах по суточной эмиссии биогаза был зафиксирован для малого биореактора № 1 (лимиты: от 0 л на 6, 12, 20 и 59-й день до 1,35375 л на 40-й день эксперимента), средний – для биореактора № 2 (от 0 на 6-й день до 0,8475 л на 20-й день эксперимента) и низкий – для биореактора № 3 (лимиты: от 0 в большинстве и до 0,03 л на 46-й день эксперимента).

Так как вычисленные значения достоверности () намного больше табличных значений t на трех уровнях вероятности (2,13; 2,95;4,07) [7, 323 с], то можно считать полученные средние арифметические высоко достоверными.

При сравнительном анализе суточной эмиссии биогаза (л) между тремя биореакторами мы наглядно из графика рисунка 1 видим, что по данному показателю лидирует биореактор № 1, т.к. начиная с 20-го дня эксперимента (0 л) мы прослеживаем подъем в выбросе биогаза до 1,14 л на 34-й и далее до 1,35375 л на 40-й день эксперимента, после – планомерное снижение эмиссии до 87-го дня эксперимента. Тогда как производительность второго малого биореактора по суточной эмиссии биогаза в процессе исследования претерпевает менее резкие колебания: подъем производительности отмечается уже на 12-й день эксперимента (0,7325 л) и далее с незначительными колебаниями производительность варьирует в пределах от 0,8475 л на 20-й день до 0,2525 л на 87-й день эксперимента. Производительность третьего малого биореактора была наихудшей, т.к. суточный выброс биогаза был отмечен только на 12-й (0,0025 л) и 46-й (0,03 л) день эксперимента, тогда как в другие исследуемые дни эмиссии биогаза обнаружено не было.

Рис.1. Суточная эмиссия биогаза в сравнительном аспекте между тремя малыми биореакторами, л

Рис.2. Общая эмиссия биогаза в сравнительном аспекте между тремя малыми биореакторами, л

Рис.3. Содержание в составе биогаза СО2, %

Рис.4. Содержание в составе биогаза СН4, %

Следовательно, общая производительность по биогазу (рисунок 2) первого малого биореактора была максимальной (39,938 л), далее по производительности следовал второй малый биореактор (33,04477 л) и наименьшая производительность была отмечена для третьего малого биореактора (1,0125 л).

За исследуемый период изучение среднестатистического качественного состава биогаза (таблица 3, рисунки 3 – 4) показало, что по метану наибольшее содержание было отмечено в биогазе, произведенного первым малым биореактором (58,3125 ± 5,91 %) при лимитах от 0 % на 6-й день эксперимента до 73 % – на 34-й день эксперимента. В произведенном за исследуемый период биогазе среднее содержание СО2 в рассматриваемом биореакторе составляла 13,125 ± 1,62 % и варьировала от 0 (6-й день эксперимента) до 20 % (от 34 – 53-го дня эксперимента). Тогда как второй малый биореактор по качественным показателям уступал первому по содержанию СН4 (55,875 ± 1,19 %) при лимитах 48% (6-й день эксперимента) и 60% (12 – 20-й день эксперимента), но превосходил по содержанию СО2 (15,6875 ± 1,90 %) при вариации от 10 % (87 – 95-й день эксперимента) до 40 % (6-й день эксперимента). Наихудший по качеству биогаз в исследуемый период был произведен третьим малым биореактором, т.к. среднестатистическое содержание СН4 составляла 0,06 ± 0,03 % при вариации от 0 (6 – 20-й день эксперимента) до 0,4 % (87-й день эксперимента), а СО2 – 4,8 ± 0,56 % при лимитах от 0 (6 – 12-й день эксперимента) до 8 % (20 – 34-й день эксперимента).

Исходя из вышеизложенного можно отметить, что качество биогаза по содержанию СН4 претерпевает во времени существенные изменения. Так, на примере биореактора № 1 можно отметить, что качественное развитие биогаза во времени претерпевает периоды от полного отсутствия в составе биогаза метана (по 12-й день эксперимента) до периода, когда состав биогаза «обогащен» метаном (этап максимального производства метана – это с 20-го по 53-й день эксперимента, когда среднее содержание метана в биогазе составляло 70,2 % и с 60 по 87-й день эксперимента, когда среднее содержание метана все еще находился на высоком уровне – 67%) и далее, период спада (со 101-го дня эксперимента), характеризующаяся планомерным снижением содержания метана в биогазе (61,75 %).

На следующем этапе был проведен статистический анализ многомерных (суточная/общая эмиссия биогаза, содержание в биогазе СН4 и СО2) корреляционных связей. Силу связи одного из них (Х – суточная/общая эмиссия биогаза) с двумя другими признаками (Y – содержание в биогазе СН4; Z – содержание в биогазе СО2) измеряли с помощью коэффициента множественной корреляции [7, 251 с.].

Согласно произведенным расчетам выявлено, что связь между суточной эмиссией биогаза и содержанием СН4 и СО2 была положительной. А по силе связи коэффициент был выше среднего для малого биореактора № 1 (0,63) и № 2 (0,6), тогда как для малого биореактора № 3 – рассчитанный коэффициент был низким (0,14). Критерий достоверности (tф) для биореактора № 1 составил 2,94, № 2 – 2,73 и № 3 – 0,52 (tst = 2,16 для k = 16 – 3 = 13 и α = 5 % [7, 323 с.]). Следовательно, нулевая гипотеза отвергается для малых биореакторов № 1 и № 2 на 5 %-ном уровне значимости.

При рассмотрении частных коэффициентов корреляции наиболее высокой по силе связи оказался коэффициент корреляции между содержанием метана и углекислого газа при исключении влияния на эту связь суточной эмиссии биогаза (0,95; биореактор № 1) и коэффициент корреляции между суточной эмиссией биогаза и содержанием метана при исключении влияния на эту связь содержания углекислого газа (0,8; биореактор № 1; 0,61; биореактор № 2 и № 3). Наименьший коэффициент частной корреляции был отмечен для малого биореактора № 3 по всем исследуемым сочетаниям (от 0,01 до 0,1). Критерий достоверности (tф) для биореактора № 1 составил 3,43, № 2 – 0,41 и № 3 – 0,44 (tst = 2,16 для k = 16 – 3 = 13 и α = 5 % [7, 323 с.]). Следовательно, нулевая гипотеза отвергается для малого биореактора № 1 на 5 %-ном уровне значимости. Исходя из полученных данных можно дать следующее утверждение, что исследуемые признаки для малого биореактора № 3 независимы друг от друга и в выборке связаны косвенно.

Заключение. Согласно проведенным исследованиям можно заключить, что высокие коммерческие показатели биогаза, такие как общее производство (39,938 л), высокое содержание СН4 (58,3125 ± 5,91 %), низкое содержание СО2 (13,125 ± 1,62 %), были получены из малого биореактора № 1. При сравнении с качеством биогаза, произведенного свалочным телом в условиях Карасайского полигона ТБО г. Алматы можно отметить, что в процессе интенсификации анаэробного разложения ТБО в биореакторах, содержание метана в составе биогаза увеличивается примерно на 17 – 20 %. Более целесообразным будет производство биогаза при следующих условиях работы биореактора: соотношение компоста в составе биогаза не должно быть выше 30 %, соблюдение физико-химических показателей работы биореактора (рН – слабощелочная, температурный режим – мезофильный) обеспечит за короткий промежуток времени высокое производство биогаза (0,600 м3/ кг ТБО [1, 9] с содержанием метана не менее 67 %). При этом, из 1 м3 биогаза, как коммерческого продукта, можно будет получить от 1,6 до 2,3 кВт·ч [5, с.97] или 1.95 кВт.ч [6, с.31] электроэнергии. Как известно, 1 м3 биогаза с содержанием 60 % метана дает примерно 22 МДж, а 70% – 25 МДж энергии [5, с.97].

Рецензенты:

Еликбаев Б.К., д.б.н., профессор, профессор, Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы;

Тлеукулов А.Т., д.с.-х.н., профессор, профессор, Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы.